Физики связали рекордное нейтрино KM3NeT со взрывом первичной чёрной дыры

Учёные допустили, что чрезвычайно энергичная и почти неуловимая частица, достигшая Земли, возникла при финальной вспышке крошечной чёрной дыры. Работа опубликована в Physical Review Letters. Один такой сигнал может пролить свет на процессы, происходившие в первые мгновения после Большого взрыва.

В 2023 году детекторы KM3NeT под Средиземным морем зафиксировали нейтрино с энергией около 220 ПэВ — это квадриллион электронвольт. Физик Майкл Дж. Бейкер связал рекордный показатель с испаряющейся чёрной дырой, сформировавшейся вскоре после рождения Вселенной.

В Массачусетский университет в Амхерсте предложили модель чёрных дыр, способных долго оставаться стабильными, а затем резко взрываться. Такой механизм должен объяснять и появление менее энергичных «частиц-призраков».

Нейтрино почти не имеют массы и крайне редко взаимодействуют с веществом. Зафиксированный сигнал превзошёл по энергии все ранее обнаруженные. Для разгона до таких значений необходимы колоссальные гравитационные поля или мощные ударные волны — лабораторные установки на это не способны. Даже эксперимент FASER на Большой адронный коллайдер регистрировал нейтрино лишь в диапазоне триллионов электронвольт, что почти в 100 тысяч раз меньше.

Глубоководная среда обеспечила KM3NeT тёмный фон. При столкновении нейтрино с молекулой воды возникает заряженная частица, создающая черенковское излучение — слабое синее свечение. По его следу исследователи восстановили направление и энергию источника. Поскольку нейтрино свободно проходят через материю, каждое обнаружение остаётся редкостью.

В качестве объяснения рассматриваются первичные чёрные дыры, возникшие в первые секунды после Большого взрыва. В отличие от объектов звёздного происхождения, они могли иметь малую массу и со временем испаряться. В 1970-х физики описали излучение Хокинга как механизм потери массы чёрной дырой. По мере уменьшения размеров температура растёт, процесс ускоряется, а финальная стадия напоминает взрыв с выбросом высокоэнергетических частиц.

Связь всплеска нейтрино с таким испарением стала бы экспериментальным подтверждением эффекта. В новой работе чёрным дырам приписан скрытый заряд, не аналогичный электрическому. При его накоплении объект становится квазиэкстремальным и охлаждается, излучение Хокинга замедляется. Заряд может сохраняться тысячелетиями, а затем сбрасываться через эффект Швингера — образование пар в сильном поле, сопровождаемое взрывом.

За несколько лет до события KM3NeT детектор IceCube в Антарктиде уже регистрировал нейтрино с энергией свыше одного квадриллиона электронвольт. В рамках новой модели квазиэкстремальные чёрные дыры большую часть времени остаются холодными и испускают меньше частиц до финальной вспышки. Это позволило согласовать данные двух обсерваторий без предположения о множественных взрывах.

Гипотеза предполагает редкие и близкие по времени события. Высокоэнергетические всплески должны сопровождаться гамма-излучением. Китайский телескоп LHAASO сканировал небо за несколько часов до регистрации сигнала, но необычных вспышек не выявил. Согласно модели, световой импульс возникает за минуты до прихода частицы, поэтому дальнейшие совпадения по времени и направлению станут проверкой идеи.

Концепция также затрагивает проблему тёмной материи. Предполагаемая популяция таких чёрных дыр могла бы распределяться по Млечному Пути, оставаясь почти незаметной для телескопов. По словам Бейкера, эти объекты способны объяснить всю наблюдаемую тёмную материю. Существующие измерения ограничивают их количество, поэтому допустимый диапазон параметров узок. Новые данные KM3NeT и IceCube, а также сопоставление нейтринных треков с гамма-наблюдениями LHAASO позволят проверить энергетический рисунок редких вспышек.

Читайте также: